Head -end strøm - Head-end power

I jernbanetransport er head-end power ( HEP ), også kendt som elektrisk togforsyning ( ETS ), det elektriske energifordelingssystem på et persontog. Strømkilden, normalt et lokomotiv (eller en generatorbil) foran eller 'hovedet' på et tog, leverer den elektricitet, der bruges til opvarmning, belysning, elektrisk og andre 'hotel' -behov. Den maritime ækvivalent er hotelelektrisk . Et vellykket forsøg med London, Brighton og South Coast Railway i oktober 1881 for at tænde personbilerne på ruten London til Brighton indvarslede begyndelsen på at bruge elektricitet til lette tog i verden.

Historie

Olielamper blev introduceret i 1842 til lette tog. Økonomi kørte Lancashire og Yorkshire Railway for at erstatte olie med kulgasbelysning i 1870, men en gasflaskeeksplosion på toget fik dem til at opgive forsøget. Olie-gasbelysning blev introduceret i slutningen af ​​1870. Elektrisk belysning blev introduceret i oktober 1881 ved hjælp af tolv svan- kulfiber-glødelamper, der er forbundet til et underslungsbatteri med 32 genopladelige Faure - blyceller, der er egnet til cirka 6 timers belysning, inden de fjernes til genopladning .

Den nord britiske jernbane i 1881 genererede med succes elektricitet ved hjælp af en dynamo på Brotherhoods damplokomotiv for at levere elektrisk belysning i et tog, et koncept, der senere blev kaldt head-end power . Højt dampforbrug førte til opgivelse af systemet. Tre tog blev startet i 1883 af London, Brighton og South Coast Railway med elektricitet genereret ombord ved hjælp af en dynamo drevet fra en af ​​akslerne. Dette oplader et blybatteri i vagtens varevogn, og vagten betjenede og vedligeholdt udstyret. Systemet leverede med succes elektrisk belysning i toget.

I 1885 blev elektrisk belysning indført i tog i Frankfurt am Main ved hjælp af en dynamo og akkumulatorer af typen Moehring. Dynamoen blev drevet af remskiver og remme fra akslen med hastigheder på 18 til 42 mph, og ved lavere hastigheder gik effekten tabt.

I 1887 leverede dampdrevne generatorer i bagagevognene fra Florida Special og Chicago Limited- togene i USA elektrisk belysning til alle togets biler ved at koble dem til for at introducere den anden form for hovedstrøm.

Olie-gasbelysningen gav en højere lysintensitet sammenlignet med elektrisk belysning og blev mere populært brugt indtil september 1913, hvor en ulykke på Midland-jernbanen ved Aisgill forårsagede et stort antal passagerers dødsfald. Denne ulykke fik jernbanerne til at vedtage elektricitet til belysning af togene.

I løbet af resten af dampens alder og ind i den tidlige dieseltid blev personbiler opvarmet af lavtryksmættet damp leveret af lokomotivet, hvor elektricitet til bilbelysning og ventilation stammer fra batterier, der oplades af akseldrevne generatorer på hver bil , eller fra motorgeneratorsæt monteret under karosseriet. Fra 1930'erne blev der tilgængelig aircondition på jernbanevogne, hvor energien til at køre dem blev leveret af mekaniske kraftudtag fra akslen, små dedikerede motorer eller propan .

De resulterende separate systemer med belysningseffekt, dampvarme og motordrevet klimaanlæg øgede vedligeholdelsesarbejdsbyrden samt dele af dele. Head-end strøm ville give mulighed for en enkelt strømkilde til at håndtere alle disse funktioner og mere til et helt tog.

I damptiden havde alle biler i Finland og Rusland en træ- eller kulfyret pejs. En sådan løsning blev betragtet som en brandfare i de fleste lande i Europa, men ikke i Rusland.

Det Forenede Kongerige

Oprindeligt ville tog, der blev trukket af et damplokomotiv, blive forsynet med damp fra lokomotivet til opvarmning af vogne. Når diesellokomotiver og elektriske lokomotiver erstattede damp, blev dampopvarmningen derefter leveret af en dampvarmekedel . Dette var oliefyret (i diesellokomotiver) eller opvarmet af et elektrisk element (i elektriske lokomotiver). Oliefyrede dampvarmekedler var upålidelige. De forårsagede flere lokomotivfejl på enhver klasse, som de var monteret på end noget andet system eller komponent i lokomotivet, og dette var et stort incitament til at anvende en mere pålidelig metode til transport af opvarmning.

På dette tidspunkt blev belysningen drevet af batterier, der blev opladet af en dynamo under hver vogn, når toget var i bevægelse, og buffetbiler ville bruge gas på flaske til madlavning og opvarmning af vand.

Elektrisk togvarme (ETH) og elektrisk togforsyning (ETS)

Senere blev diesler og elektriske lokomotiver udstyret med elektriske togopvarmningsapparater ( ETH ), som leverede elektrisk strøm til vognene for at køre elektriske varmeelementer installeret sammen med dampvarmeapparatet, som blev beholdt til brug med ældre lokomotiver. Senere vogndesign afskaffede dampvarmeapparatet og gjorde brug af ETH-forsyningen til opvarmning, belysning (inklusive opladning af togbelysningens batterier), ventilation, aircondition , ventilatorer, stikkontakter og køkkenudstyr i toget. I erkendelse af denne ETH blev til sidst omdøbt til Electric Train Supply ( ETS ).

Hver træner har et indeks vedrørende det maksimale forbrug af elektricitet, den kan bruge. Summen af ​​alle indekser må ikke overstige lokomotivets indeks. Én "ETH -indeksenhed" er lig med 5 kW; et lokomotiv med et ETH -indeks på 95 kan levere 475 kW elektrisk strøm til toget.

Nordamerika

Det første fremskridt i forhold til det gamle akselgeneratorsystem blev udviklet på Boston og Maine Railroad , som havde placeret en række damplokomotiver og personbiler i dedikeret pendlertjeneste i Boston . På grund af de lave gennemsnitshastigheder og hyppige stop, der er karakteristiske for en pendleroperation, var akselgeneratorernes ydelse utilstrækkelig til at holde batterierne opladet, hvilket resulterede i passagerklager over lys- og ventilationsfejl. Som svar installerede jernbanen generatorer med højere kapacitet på de lokomotiver, der blev tildelt disse tog, og gav forbindelser til bilerne. Bilerne brugte damp fra lokomotivet til opvarmning. ..

Nogle tidlige diesel-strømlinere benyttede sig af deres fastmonterede konstruktion til at anvende elektrisk drevet belysning, aircondition og varme. Da bilerne ikke var beregnet til at blande sig med eksisterende passagerlager, var kompatibiliteten mellem disse systemer ikke et problem. For eksempel har Nebraska Zephyr -togsæt tre dieselgeneratorsæt i den første bil, der driver udstyr ombord.

Da diesellokomotiver blev introduceret til passagertjeneste, var de udstyret med dampgeneratorer til at levere damp til bilopvarmning. Brugen af ​​akselgeneratorer og batterier fortsatte imidlertid i mange år. Dette begyndte at ændre sig i slutningen af ​​1950'erne, da Chicago og North Western Railway fjernede dampgeneratorer fra deres EMD F7- og E8 -lokomotiver i pendlertjeneste og installerede dieselgeneratorsæt (se Peninsula 400 ). Dette var en naturlig udvikling, da deres pendeltog allerede modtog lavspændings, lavstrømseffekt fra lokomotiverne for at hjælpe akselgeneratorer med at opretholde batteriopladning.

Mens mange pendlerflåder hurtigt blev konverteret til HEP, fortsatte langdistancetog med dampvarme og batteridrevne elektriske systemer. Dette ændrede sig gradvist efter overførslen af ​​intercity -passagertogtjeneste til Amtrak og Via Rail , hvilket i sidste ende resulterede i fuld vedtagelse af HEP i USA og Canada og afbrydelse af de gamle systemer.

Efter dannelsen i 1971 var Amtraks første lokomotivkøb Electro-Motive (EMD) SDP40F , en tilpasning af det meget anvendte SD40-2 3000 hestekræfters godslokomotiv, udstyret med en personvogn i passagerstil og dampgenererende kapacitet. SDP40F tillod brug af moderne drivkraft i forbindelse med de gamle dampopvarmede personbiler erhvervet fra forgængerbaner, hvilket gav Amtrak tid til at anskaffe specialbyggede biler og lokomotiver.

I 1975 begyndte Amtrak at modtage den helelektriske Amfleet- bil, trukket af General Electric (GE) P30CH- og E60CH- lokomotiver, senere udvidet med EMD F40PH og AEM-7 lokomotiver, som alle var udstyret til at levere HEP. Fem Amtrak E8'er blev genopbygget med HEP -generatorer til dette formål. Desuden blev 15 bagagebiler konverteret til HEP-generatorbiler for at tillade at transportere Amfleet af ikke-HEP-drivkraft (f.eks. GG1'er, der erstatter upålidelige Metroliner-EMU'er ). Efter introduktionen af ​​Amfleet blev den ( helelektriske ) Superliner- togvogn sat i drift på vestlige ruter over lange afstande. Amtrak konverterede efterfølgende en del af den dampopvarmede flåde til helelektrisk drift ved hjælp af HEP og pensionerede de resterende uomvendte biler i midten af ​​1980'erne.

Motor

HEP -generatoren kan drives af enten en separat motor monteret i lokomotivet eller generatorbilen eller af lokomotivets primmotor .

Separate motorer

Generator-leveret HEP er normalt gennem en hjælpedieselenhed, der er uafhængig af hovedfremdrivningsmotoren (prime mover). Sådanne motor/generator sæt er normalt installeret i et rum bag på lokomotivet. Primmotoren og HEP -generatoren deler brændstofforsyninger.

Mindre under-bil motor/generator sæt til levering af elektricitet på korte tog fremstilles også.

Lokomotiv prime mover

I mange applikationer giver lokomotivets primære motor både fremdrift og hovedkraft. Hvis HEP generatoren drives af motoren så skal det køre med en konstant hastighed ( RPM ) for at opretholde de krævede 50 Hz eller 60 Hz AC- frekvens . En ingeniør behøver ikke at holde gashåndtaget i en højere køreposition, da elektronikken om bord styrer motorens hastighed for at opretholde den indstillede frekvens.

For nylig har lokomotiverne anvendt en statisk inverter, der drives fra trækkraftgeneratoren, som gør det muligt for primomotoren at have et større omdrejningstal pr. Minut.

Når den stammer fra primus motor, genereres HEP på bekostning af trækkraft. For eksempel er General Electric 3.200  hk (2,4 MW) P32 og 4.000 hk (3,0 MW) P40 -lokomotiver nedsat til henholdsvis 2.900 og 3.650 hk (2,16 og 2,72 MW) ved levering af HEP. Den Fairbanks-Morse P-12-42 var en af de første HEP udstyret lokomotiver til at have sin kraftmaskine konfigureret til at køre med en konstant hastighed, med trækkraft generator output udelukkende reguleres ved at variere excitation spænding.

En af de første tests af HEP drevet af et EMD -lokomotivs primære motor var i 1969 på Milwaukee Road EMD E9 #33C, som blev konverteret til at have en bagmotor med konstant hastighed.

Elektrisk belastning

HEP leverer belysning, HVAC , spisebilskøkken og batteriopladninger. Individuel bilelastning varierer fra 20 kW for en typisk bil til mere end 150 kW for en Dome -bil med køkken og spiseplads, såsom Princess Tours Ultra Dome -biler, der kører i Alaska .

Spænding

Nordamerika

På grund af toglængder og de høje effektbehov i Nordamerika leveres HEP som trefaset vekselstrøm ved 480  V (standard i USA), 575 V eller 600 V. Transformatorer er monteret i hver bil til reduktion til lavere spændinger.

Det Forenede Kongerige

I Storbritannien leveres ETS ved 800 V til 1000 V AC/DC topolet (400 eller 600 A), 1500 V AC topolet (800 A) eller ved 415 V 3 fase på HST . På den tidligere sydlige region blev Mk I vogne tilsluttet en 750 V DC forsyning. Dette svarer til netspænding på det tredje jernbanenet. Klasse 73 lokomotiver leverer simpelthen denne netspænding direkte til ETS -jumpere, mens klasse 33 dieselelokomotiver har en separat motordrevet togvarmegenerator, der leverer 750 V DC til togets varmeforbindelser.

Irland

I Irland er HEP leveret til europæisk/IEC -standard 230/400 V 50 Hz (oprindeligt 220/380 V 50 Hz.) Dette er i samme specifikation som de elsystemer, der bruges i irske og EU -husholdninger og erhvervsbygninger og industri.

På Cork-Dublin CAF MK4-sæt leveres dette af to generatorer, der er placeret i den kørende trailervogn og på push-pull Enterprise-sæt, dette leveres af generatorer i en dedikeret halebil. Irske DMU -tog, der udgør størstedelen af ​​flåden, bruger små generatorer placeret under hver vogn.

Historisk set blev HEP og i ældre køretøjer dampopvarmning leveret af efterfølgende varevogne indeholdende generatorer og dampkedler . Disse var normalt placeret på bagsiden af ​​togsæt. Enterprise Dublin-Belfast togsæt anvendte oprindeligt HEP fra GM 201 dieselelektriske lokomotiver , men på grund af pålidelighedsproblemer og overdreven slid på lokomotivsystemerne var generatorbiler (hentet fra pensionerede Irish Rail MK3-sæt og tilpasset push-pull-brug) tilføjet. HEP -tilstand blev skrottet, da et lokomotiv i klasse IE 201 gik i brand.

Rusland

Russiske biler bruger elektrisk varme med enten 3 kV DC spænding på DC -linjer eller 3 kV AC -spænding på AC -ledninger leveret af lokomotivets hovedtransformator. Nyere biler fremstilles for det meste af vesteuropæiske producenter og er udstyret på samme måde som RIC -biler.

Europa (RIC -biler, undtagen Rusland og Storbritannien)

RIC -biler skal kunne leveres på alle følgende fire spændinger: 1.000 V 16+2 ⁄ 3  Hz AC, 1.500 V 50 Hz AC, 1.500 V DC og 3.000 V DC. Den første bliver brugt i Østrig, Tyskland, Norge, Sverige og Schweiz, hvor 15 kV 16,7 Hz vekselstrøm køreledningsanlæg bruges. Den anden (1,5 kV AC) bruges i lande, der anvender 25 kV 50 Hz vekselstrømsledningssystem (Kroatien, Danmark, Finland, Ungarn, Portugal, Serbien og Storbritannien og nogle linjer i Frankrig, Italien og Rusland). I begge tilfælde tilvejebringes den korrekte spænding fra lokomotivets hovedtransformator eller en vekselstrømsgenerator i diesellokomotiver. I lande, der bruger jævnstrøm (enten 1,5 kV eller 3 kV DC), leveres spændingen, der samles af strømaftageren, direkte til bilerne. (Belgien, Polen og Spanien, og nogle linjer i Rusland og Italien bruger 3 kV, og Holland, og nogle linjer i Frankrig bruger 1,5 kV; se mere detaljerede oplysninger iartiklen Liste over jernbanelektrificeringssystemer .)

Moderne biler understøtter ofte også 1.000 V 50 Hz AC, denne sort findes undertiden på depoter og parkeringspladser.

Ældre europæiske biler brugte højspænding (eller damp, leveret af damplokomotiv (nogle dieselmotorer og elektriske apparater havde også dampkedler monteret), der var også dampgeneratorbiler i brug, og nogle biler var udstyret med kul- eller oliefyret kedel) kun til varme, mens lys, blæsere og anden lavstrømforsyning (f.eks. barbermuffer i badeværelser) blev leveret af akseldrevet generator. I dag, med udviklingen inden for solid state -elektronik (thyristorer og IGBT'er), har de fleste biler skiftende strømforsyninger, der tager enhver RIC -spænding (1,0–3,0 kV DC eller 16+2 / 3 /50 Hz AC) og kan levere alle de nødvendige lavere spændinger. Lavspændinger varierer afhængigt af producenter, men typiske værdier er:

• 12–48 V DC til elektronik ombord (leveres fra kemisk batteri, når HEP er deaktiveret)
• 24–110 V DC til fodring af lysstofrørets elektroniske forkoblinger og til ventilatorer (leveres fra kemisk batteri, når HEP er deaktiveret)
• Enfaset 230 V vekselstrøm til passagerstik, køleskabe osv. (Nogle gange leveret fra kemisk batteri, som ovenfor)
• Trefaset 400 V AC til airconditionkompressor, varme, ventilatorer (klimaanlæg leveres i dag ikke fra kemisk batteri på grund af strømforbrug)

Elvarme blev typisk leveret fra højspændings HEP-linje, men de usædvanlige spændinger er ikke almindelige på markedet, og udstyret er dyrt.

En standard RIC-kompatibel HV-varmelegeme har seks modstande, der skiftes i overensstemmelse hermed til spænding: 6 i serien (3 kV DC), 2 × 3 i serien (1,5 kV AC eller DC) eller 3 × 2 i serien (1 kV AC) . Valget og skiftet af en korrekt konfiguration er automatisk af hensyn til sikkerheden. Passagerer kan kun betjene termostat .

Kina

I Kina leveres HEP i to former.

På alle 25A/G-biler bygget før 2005, ombyggede og klimatiserede 22/25B-biler, de fleste 25K-biler og de fleste BSP-bygget 25T-biler leveres HEP ved trefaset 380 V AC af generatorbiler (oprindeligt klassificeret som TZ biler, senere reklassificeret til KD), en lille antal DF11G diesellokomotiver, og meget begrænset antal eftermonterede SS9 el. Biler med dieselgeneratorsæt (fabriksbyggede RZ/RW/CA22/23/25B biler, nogle ombyggede YZ/YW22/23/25B biler, de fleste tyskbyggede 24 biler og meget begrænset antal 25G/K/T biler til særlig brug) leverer også deres egen strøm i denne form. Det er muligt at føre vekselstrøm fra en bil med dieselgenerator til en normal HEP -bil i nabolandet, selvom begge biler ikke kan køre deres aircondition eller varme på fuld belastning i denne situation. Disse dieseldrevne biler kan også køre på HEP andre steder uden at bruge deres egen diesel. Selvom det betragtes som ineffektivt og forældet, hovedsageligt fordi generatorbilen 'spilder' trækkraft, personale og brændstof (hvis de kører på elektrificerede linjer), er nye biler, der bruger AC HEP, stadig i produktion sammen med nye generatorbiler/sæt, mest til brug i områder uden elektrificering, i betragtning af at langt størstedelen af ​​China Railways 'motorer, der er i stand til at levere HEP, er elektriske lokomotiver.

På de fleste nyere 25G -biler og 25/19T -biler leveres strøm ved 600 V DC af elektriske lokomotiver såsom SS7C, SS7D, SS7E, SS8 , SS9 , HXD1D , HXD3C , HXD3D og nogle DF11G -dieselmotorer (nr. 0041, 0042, 0047, 0048, 0053-0056, 0101-0218). Et lille antal specielle generatorbiler (QZ-KD25T), der er beregnet til brug på Qinghai-Tibet Railway i høj højde , leverer også strøm ved 600 V DC. Med nye DC-udstyrede motorer og biler, der hurtigt kommer i drift, samt ældning og pensionering af ældre udstyr ved hjælp af AC, er DC HEP blevet den mere fremtrædende form for strømforsyning til China Railways.

Meget begrænset antal biler, for det meste 25T, kan køre på begge former for HEP.

Alternativer

Selv om de fleste lokomotiv-trukket tog tager strøm direkte fra lokomotivet, har der været eksempler (hovedsageligt i det kontinentale Europa ), hvor restaurant biler kunne tage strøm direkte fra køreledninger , mens toget står og ikke forbundet til hoved-enden magt. For eksempel var de tyske restaurantbiler WRmz 135 (1969), WRbumz 139 (1975) og ARmz 211 (1971) alle udstyret med strømaftagere .

Nogle finske spisestue-/forplejningsbiler har et indbygget dieselgeneratorsæt, der bruges, selv når en lokomotivforsynet strøm er tilgængelig.

Da staten Connecticut begyndte Shore Line East -tjenesten, brugte de i mange tilfælde nye personbiler med gamle fragtdieseler, som ikke var i stand til at levere HEP, så nogle af vognene blev leveret med en HEP ​​-generator installeret. Med erhvervelsen af ​​lokomotiver med HEP er disse siden blevet fjernet.

Hvor et passagertog skal blive trukket af et lokomotiv uden HEP forsyning (eller et inkompatibelt HEP forsyning) en særskilt generator van kan anvendes såsom på Amtrak Cascades tog eller Iarnród Éireann 's CAF Mark 4 Driving Van Trailer (med dobbelt MAN 2846 LE 202 (320 kW) / Letag (330 kVA) motor / generator sæt, samlet af GESAN). KiwiRail (New Zealand) bruger varevogne i AG-klasse til deres Tranz Scenic- passagertjenester; Tranz Metro på Wairarapa -linjen bruger passagervogne i SWG -klasse, hvor en del af interiøret er tilpasset til at huse en generator. Den Ringling Bros og Barnum & Bailey Circus tog anvendt mindst én specialbygget magt bil, der leverede HEP til sine passagervogne at undgå afhængighed af vært lokomotiver slæbningen toget.

I Storbritannien og Sverige har højhastighedstogene IC125 og X2000 50 Hz 3-faset strømbus.

Se også

• Elvarme
• Varme, ventilation og aircondition
• Hotel elektrisk strøm
• Kystkraft , netforbindelse til tog består af at ligge mellem kørslerne
• Ventilation (arkitektur)

Referencer